基于条件随机场模型的运动视频数据安全传输方法

马宪敏

(黑龙江外国语学院 信息工程系，黑龙江 哈尔滨 150025)

0 引言

随着运动视频传输系统实际应用规模的不断扩大，所传输的运动视频内容的安全保护逐渐受到人们的关注。目前的运动视频数据传输技术通常采用高分辨率的传输系统实现视频帧的传输[1]。在进行运动视频数据传输的过程中，由于受到误码扰动以及链路转发控制多径因素的影响，会导致运动视频数据传输的安全性较差[2]，因此，需要对运动视频数据传输过程进行优化设计，建立运动视频数据的安全信道输出模型，提高运动视频数据传输的安全性，降低输出误码。

目前，已有专家学者在该领域提出了一些较为成熟的研究结果，针对运动视频数据可靠传输的方法主要有OFDM扩频方法、MUSIC方法和分数间隔均衡控制方法等等[3-4]。文献[5]中提出了一种在运动感知环境下的基于缓存的自适应视频流安全传输方法。该方法利用 MA-BBA算法，根据片段运动级别确定码率映射函数，赋予运动强度高的视频数据较高的码率，赋予运动强度低的视频数据较低的码率，使得运动视频数据处于安全环境，直接通过数据缓存变化量与码率的映射函数选取合适的码流传输方式。该方法虽然具有较强的自适应性，但是对运动强度的判断标准不明确，使得映射函数的选择不准确，导致传输过程误码率较高。文献[6]中提出了一种机会网络中视频分块随机集中传输方法，该方法在时间轴上调节运动视频分块的分布情况，建立分块紧缺度模型，引导分块在目标节点趋于均匀分布，满足了食品数据在快速接收时间轴上的随机分布、内容上连续且数量较多的视频段的需求，同时也能够有效引导视频块的传输，在很大程度上避免传输过程受链路多径的影响，然而该方法的自适应均衡性不好，影响了运动视频数据传输的安全性和高效性。文献[7]中提出了一种多通道高速视频数据安全传输方法。该方法以CPU作为运动视频传输过程的控制中心，利用现场可编程门阵列中的编程输入输出单元和可配置逻辑块配合高速串行收发器，实现多通道的高速视频数据的传输。然而由于该方法缺少数据链路的均衡控制，导致传输过程的误码率较高。

通常来说，对运动视频数据的安全传输是建立在信道的均衡调节基础上，通过信道均衡配置，能够使运动视频数据传输的保真性和传输效率得以提高。同时，由于条件随机场模型综合了最大熵模型与隐马尔可夫模型的优点，在识别、标注等方面具有明显的应用优势。因此，针对当前方法中存在的问题，本文考虑利用条件随机场模型来保证运动视频数据的安全传输，提出一种基于条件随机场模型的运动视频数据传输方法。主要贡献点如下。

(1)构建调制模型使得运动视频数据安全传输的信道更加均衡，在此基础上采用随机链路转发控制方法对数据传输过程中的链路进行均衡调制；

(2)利用条件随机场模型对运动视频传输过程进行分簇聚类设计，通过控制波特间隔的均衡性实现运动视频数据安全传输过程的调制解调处理；

(3)通过实验结果证明了本文方法在提高运动视频数据安全传输能力方面的优越性能。

1 运动视频数据传输信道均衡设计

1.1 安全传输信道模型

为了实现运动视频数据安全传输，首先构建运动视频数据安全传输的信道均衡模型，采用随机链路转发控制方法进行运动视频数据传输过程中的链路均衡调制。采用信息传输带宽调节控制方法构建运动视频数据传输的随机扩频序列模型[8]，得到运动视频数据传输的离散信号为x，采用多频频移键控(MFSK)构建运动视频传输数据的比特序列x(n)，经离散傅里叶变换后，用X=DFT{x}表示运动视频数据传输的带宽，采用脉宽调制方法进行特征分解，构建运动视频数据传输的随机转发序列为x，采用无线扩频技术进行运动视频数据安全传输的信道均衡控制[9-10]，利用运动视频数据传输信道的频域特性进行多径扩展，得到运动视频数据传输的统计信息特征量为式(1)。

X=[X(0),…,X(N-1)]

(1)

(2)

其中，N表示运动视频数据的长度;J表示帧的频率;C(j)表示带宽。在信息脉冲持续时间内得到运动视频数据传输的信道模型，设原始输入的运动视频数据的多径特征序列为x=[x(0),…,x(N-1)]，其中x(n)为有限长的运动视频数据模型，0≤n≤N-1，则运动视频数据传输的信道模型的表达式为式(3)。

(3)

其中，0≤k≤N-1，表示运动视频数据的长度，采用信道均衡控制方法，实现运动视频数据安全传输信道均衡调节和自适应控制。

1.2 波特间隔均衡模型

在构建运动视频数据安全传输的信道均衡模型的基础上，采用随机链路转发控制方法进行运动视频数据传输过程中的链路均衡调制，并建立运动视频数据传输的波特间隔均衡模型，对输入的运动视频数据的码元n的自相关函数进行z变换得到nz，分析运动视频数据传输信道的多径特征，采用信号自动检波方法进行运动视频数据的包络特征检测[12-14]，将一个运动视频数据分为若干个时隙，对运动视频数据进行波谱特征检测，得到检测结果为式(4)。

(4)

其中，β表示输入的运动视频数据的关联特征量，介于0和1之间。结合波特均衡调制方法，构造运动视频数据传输的波特间隔均衡模型，表示为式(5)。

(5)

对运动视频数据传输的扩频信道进行带宽扩展，在信息脉冲持续时间内得到运动视频数据传输的高阶统计特征量为s(t)=[s1(t),s2(t),…,sq(t)]T，干扰分量为n(t)，两者是相互独立的，用Pj描述运动视频数据传输的谱密度，{P1,P2,…,Pj}是脉位调制序列，与n(t)具有独立同分布性，采用多径信号的调制解调方法，进行运动视频数据传输的谱增益调节，运动视频数据传输的信道干扰为n(k)，其中干扰信息分量的实部nr(k)和虚部ni(k)分别为独立的白噪声，根据上述分析，采用波特间隔均衡控制方法，进行运动视频数据传输的信道均衡控制，输出的带宽为c(j)，在波特间隔均衡调节下，利用多径干扰的能量分布进行自适应控制[15]，提高运动视频数据传输的安全性。

2 运动视频数据安全传输优化控制

2.1 条件随机场模型

在上述进行运动视频数据安全传输的信道均衡设计基础上，进行运动视频数据传输的安全设计，本文提出一种基于条件随机场模型的运动视频数据传输方法。令运动视频数据的调制码元为Mq(q=1,2,…)，利用码元之间的不相关性，计算分簇链路稀疏性配置系数，并对当前时刻的运动视频数据传输通道进行同步解调处理[16]。采用随机码元宽度调节方法，进行运动视频序列传输的加权调节，得到加权值为式(6)。

W=λ-1Mq

(6)

其中，λ表示加权系数。根据接收到的扩频信号的抽头延迟进行自适应控制[17]，在中频调制信号约束下，采用直扩系统构建运动视频数据安全传输的条件随机场模型，如图1所示。

图1 运动视频序列传输的条件随机场直扩系统模型

根据上述分析，构建运动视频数据传输的随机场分布模型，其模型表达式为式(7)。

(7)

结合空间均衡调度方法，进行运动视频数据传输的安全传输的调制解调处理。

2.2 运动视频数据安全传输帧向量提取

在条件随机场模型中，假设运动视频序列的信源分布为a(t)，码元速率为Ra，运动视频序列的码元宽度为Ta，Ta=1/Ra，计算信号通频带内的干扰功率，采用冲激响应调节方法[18-19]，构建运动视频数据传输的帧跟踪模型为式(8)。

(8)

根据上述分析，得到运动视频数据传输的直扩频谱分布示意图，如图2所示。

图2 运动视频数据传输的直扩频谱分布示意图

采用波特间隔均衡调节模型进行数据传输过程中的调制解调处理，提取运动视频数据安全传输的帧向量为式(9)。

(9)

综上分析，根据提取的运动视频数据安全传输的帧向量，进行运动视频数据安全传输控制，实现运动视频数据传输的均衡调节和自适应控制。

2.3 数据传输方法具体步骤

① 构建运动视频数据传输信道均衡模型，通过频域特性进行多径扩展得到视频数据的统计信息特征量，再利用随机链路转发控制方法进行链路均衡调制；

② 结合波特均衡调制方法建立运动视频数据传输过程的波特间隔均衡调节模型，对运动视频数据进行波谱特征检测，利用多径干扰的能量分布进行自适应控制；

③ 采用条件随机场模型对运动视频传输过程进行分簇聚类设计，实现运动视频数据传输过程的调制解调处理；

④ 采用冲激响应调节方法构建运动视频数据传输的帧跟踪模型，提取运动视频数据的帧向量，实现运动视频数据的安全传输。

3 实验与结果分析

为了测试上述基于基于条件随机场模型的运动视频数据安全传输方法在实现数据安全传输中的应用性能，进行仿真测试分析。

3.1 实验条件设置

为增加实验的有效性和对比性，将所提的基于条件随机场模型的运动视频数据传输方法与文献[5]中的运动感知环境下的基于缓存的自适应视频流安全传输方法、文献[6]中的机会网络中视频分块随机集中传输方法、文献[7]中的多通道高速视频数据安全传输方法进行对比。

3.2 实验指标

实验中选取的主要实验指标如下。

① 输出结果峰值信噪比：信噪比表示在输出结果中有效信号与噪声信号所占的比例，信噪比的值越高，证明输出结果中有效信号越多，其计算过程为式(10)。

(10)

式中，Ps和Pn分别表示有效信号和噪声的功率值。

② 传输误码率：根据传输误码率可以判断数据传输方法的传输准确性，计算过程为式(11)。

(11)

③ 数据召回率：在数据传输过程中，传输的质量可以通过数据召回率来体现，即数据召回率越低，传输质量越高。

3.3 实验结果

根据上述实验环境和参数设定，进行运动视频数据传输性能测试，得到待传输的运动视频数据的帧序列如图3所示。

图3 待传输的运动视频数据的帧序列

以图3的运动视频数据的帧序列为研究对象，采用条件随机场模型进行运动视频传输过程中的分簇聚类设计，实现运动视频的特征提取和传输优化，得到提取结果如图4所示。

(a)视频数据1

通过上述对运动视频数据传输的特征提取和参数估计，实现传输信道均衡配置，测试运动视频传输的输出峰值信噪比，得到测试结果如图5所示。

(a)视频数据1

分析图5得知，采用本文方法进行运动视频数据传输的输出峰值信噪比较高，说明输出误码率较低，数据传输的保真性较好，具有很好的运动视频数据安全传输能力。

为进一步测试基于条件随机场模型的运动视频数据安全传输方法的有效性，测试不同数据传输方法的传输误码率和数据召回率，得到的对比结果如图6和表1所示。

图6 不同传输方法的误码率对比

表1 不同传输方法的数据召回率对比/%

通过图6所示结果可知，随着实验迭代次数的不断增加，不同视频数据传输方法的传输误码率也在不断发生变化。可以看出，所提的基于条件随机场模型的运动视频数据传输方法的传输误码率值也始终低于另外3种方法，证明采用所提方法能够准确对运动视频数据进行安全传输。

分析表1可知，随着迭代次数的增加，不同数据传输方法的数据召回率也在随之变化。文献[5]方法的数据召回率在4种方法中波动最大，本文所提的基于条件随机场模型的运动视频数据传输方法的数据召回率在4种方法中始终保持最低，证明所提方法的传输质量最高。

4 总结

对运动视频数据传输过程进行优化设计，建立运动视频数据的安全信道输出模型，有利于提高运动视频数据传输的安全性，降低输出误码。本文提出一种基于条件随机场模型的运动视频数据传输方法，采用信息传输带宽调节控制方法构建运动视频数据传输的随机扩频序列模型，采用随机码元宽度调节方法，进行运动视频序列传输的加权调节，构建运动视频数据传输的帧跟踪模型，采用条件随机场模型进行运动视频传输过程中的分簇聚类设计，结合波特间隔均衡控制方法提取运动视频数据安全传输的帧向量，进行运动视频数据安全传输控制，实现运动视频数据安全传输的调制解调处理。研究得知，采用本文方法进行运动视频数据安全传输的自适应性较好，误码率较低，输出的峰值信噪比较高，提高了运动视频数据传输的安全性，具有很好的应用价值。

然而，在利用该方法进行运动视频数据传输的过程中耗能较大、耗时较长，因此，在未来的研究阶段，将在减少传输耗能、缩短传输时长两个方面对该方法进行进一步优化。